CN105304606B

CN105304606B - 具有两平面式电感的电子装置

Info

Publication number: CN105304606B
Application number: CN201410283184.7A
Authority: CN
Inventors: 颜孝璁; 黄凯易; 简育生; 叶达勋
Original assignee: Realtek Semiconductor Corp
Current assignee: Realtek Semiconductor Corp
Priority date: 2014-06-20
Filing date: 2014-06-20
Publication date: 2018-06-19
Anticipated expiration: 2034-06-20
Also published as: CN105304606A

Abstract

本发明公开了一种电子装置包含一第一平面式电感及一第二平面式电感。该第一平面式电感至少包含相连接的一第一环状构造与一第二环状构造，分别产生具一第一方向的一第一磁场与具一第二方向的一第二磁场，该第一方向与该第二方向不同。该第二平面式电感至少包含相连接的一第三环状构造与一第四环状构造，分别产生具一第三方向的一第三磁场与具一第四方向的一第四磁场，该第三方向与该第四方向不同。其中该第一环状构造与该第三环状构造的至少一部分重叠并形成一第一重叠区域，与该第二环状构造与该第四环状构造的至少一部分重叠并形成一第二重叠区域。本发明能降低芯片大小、节省硬件成本。

Description

具有两平面式电感的电子装置

技术领域

本发明所揭露的实施例涉及一种电子装置，尤指一种具有一第一平面式电感以及一第二平面式电感，且彼此互相局部重叠的电子装置。

背景技术

电感是电路系统中常见的无源元件，可用以滤波、阻流以及储存能量等等。举例来说，在直流-直流转换器中会使用电感来储存能量，且所能够储存的能量大小和电感值成正比，为了满足系统所需，所需要的电感值通常较大。又例如，可以使用两个电感互相耦合以形成变压器(transformer)。

不过，在集成电路中电感所占用的面积相较于其它元件要大的多，因此，有必要寻找一种新的电感元件结构来降低实作电感时所需要的面积，也就是提高电感元件单位面积所贡献的电感值。

发明内容

根据本发明的实施例，揭露一种具有一第一平面式电感以及一第二平面式电感，且彼此互相局部重叠的电子装置以解决上述问题。

依据本发明一第一实施例，揭露一种电子装置，包含有一第一平面式电感以及一第二平面式电感。其中该第一平面式电感至少包含相连接的一第一环状构造与一第二环状构造，分别用以产生具有一第一方向的一第一磁场与具有一第二方向的一第二磁场，其中该第一方向与该第二方向的方向不同。该第二平面式电感至少包含相连接的一第三环状构造与一第四环状构造，分别用以产生具有一第三方向的的一第三磁场与具有一第四方向的一第四磁场，其中该第三方向与该第四方向的方向不同。其中该第一环状构造与该第三环状构造的至少一部分重叠并形成一第一重叠区域，与该第二环状构造与该第四环状构造的至少一部分重叠并形成一第二重叠区域。

本发明的其中一个优点系可以降低实作电感时所需要的芯片面积，也就是提高电感元件单位面积所贡献的电感值，进而降低硬件成本。

附图说明

图1为本发明电子装置的一第一实施例的示意图。

图2A为本发明电子装置的一第二实施例的示意图。

图2B为本发明电子装置的一第三实施例的示意图。

图2C为本发明电子装置的一第四实施例的示意图。

图2D为本发明电子装置的一第五实施例的示意图。

图3A为本发明电子装置的一第六实施例的示意图。

图3B为本发明电子装置的一第七实施例的示意图。

图4为针对使用不对称平面式电感组成的电子装置分别在不同重叠区域大小的情况下的耦合系数值的频率响应图。

图5为本发明电子装置的一第八实施例的示意图。

图6为8字型和非8字型平面电感的电感值的频率响应图。

其中,附图标记说明如下:

102、104、202A、204A、202B、204B、202C、

204C、202D、204D、302A、304A、302B、304B 平面式电感

106、206A、206B、206C、206D、306A、306B、500 电子装置

1022、1024、1042、1044、2022A、2024A、

2042A、2044A、2022B、2024B、2042B、2044B 环状构造

502、504 部分元件

具体实施方式

图1为本发明电子装置的一第一实施例的示意图。其中一电子装置106由一平面式电感102以及一平面式电感104所构成的一电感。平面式电感102位于一第一导体层，并包含有一第一环状构造1022与一第二环状构造1024并分别产生具有一第一方向的一第一磁场与具有一第二方向的一第二磁场，例如该第一方向为垂直于第一环状构造1022所形成的一平面并且由该平面的下方往上；而该第二方向为垂直于第二环状构造1024所形成的一平面并且由该平面的上方往下。平面式电感102具有一电感值H₁₀₂。另一方面，平面式电感104位于不同于一第一导体层的一第二导体层，并包含有一第一环状构造1042与一第二环状构造1044并分别产生具有一第三方向的一第三磁场与具有一第四方向的一第四磁场，例如该第三方向为垂直于第一环状构造1042所形成的一平面并且由该平面的下方往上；而该第四方向为垂直于第二环状构造1044所形成的一平面并且由该平面的上方往下。其中该第一方向与该第三方向的方向相同，该第二方向与该第四方向的方向相同。其中，第一环状构造1022的开口朝图面右方，该第二环状构造1024的开口朝图面上方，第三环状构造1042的开口朝图面右方，该第四环状构造1044的开口朝图面下方。该平面式电感104具有一电感值H₁₀₄。本发明使用平面式电感102以及平面式电感104彼此耦接并堆叠来组合成电子装置(电感)106。其中，第一环状构造1022的端点与第三环状构造1042的端点可以穿孔(VIA)连接以使平面式电感102以及平面式电感104共同形成一电感(亦即电子装置106)。平面式电感102的第一环状构造1022与第二环状构造1024所形成的平面区域和平面式电感104的第一环状构造1042与第二环状构造1044所形成的平面区域完全重叠，以尽量的增加电子装置(电感)106的一电感值H₁₀₆。使电感值H₁₀₆分别大于电感值H₁₀₂以及电感值H₁₀₄，以达到增加单位面积的电感值的目的。具体来说，依此方法绕线来结合二个类8字型平面电感所得到的架构，能够达到比公知的螺旋架构更大的单位面积电感值。此外，由于第一环状构造1022与第三环状构造1042的磁场方向和第二环状构造1024与第四环状构造1044的磁场方向相反，因此可以降低电磁干扰(EMI)。

图2A为本发明电子装置的一第二实施例的示意图。其中一电子装置206A由一平面式电感202A以及一平面式电感204A所构成的一变压器。平面式电感202A位于一第一导体层，并包含有一第一环状构造2022A与一第二环状构造2024A并分别产生不同方向的一第一磁场与一第二磁场，例如该第一磁场方向为垂直于第一环状构造2022A所形成的一平面并且由该平面的下方往上；而该第二磁场方向为垂直于第二环状构造2024A所形成的一平面并且由该平面的上方往下。平面式电感202A具有一电感值H_202A。另一方面，平面式电感204A位于不同于一第一导体层的一第二导体层，并包含有一第一环状构造2042A与一第二环状构造2044A并分别产生不同方向的一第一磁场与一第二磁场，例如该第一磁场方向为垂直于第一环状构造2042A所形成的一平面并且由该平面的下方往上；而该第二磁场方向为垂直于第二环状构造2044A所形成的一平面并且由该平面的上方往下。平面式电感204A具有一电感值H204A。本发明使用平面式电感202A以及平面式电感204A彼此堆叠来组合成电子装置(变压器)206A。其中耦合系数值K_206A的大小平面式电感202A的第一环状构造2022A与第二环状构造2024A所形成的平面区域和平面式电感204A的第一环状构造2042A与第二环状构造2044A所形成的平面区域之间的重叠区域的大小来决定。实务上，第一环状构造2022A与第二环状构造2024A并非限定于实作在同一晶粒(die)上。在某些实施例中，可以使用三维堆叠构装(3D Stack Packaging)，也就是第一环状构造2022A与第二环状构造2024A可以分别位于上晶粒及下晶粒(或相反的设计)，中间以介电质(under-fill)材料填充。其它实施例亦可以有类似的设计。

图2B为本发明电子装置的一第三实施例的示意图。其中一电子装置206B由一平面式电感202B以及一平面式电感204B所构成的一变压器。平面式电感202B包含有位于一第一导体层的一第一环状构造2022B与位于一第二导体层的一第二环状构造2024B，并分别产生具有一第一方向的一第一磁场与具有一第二方向一第二磁场，例如该第一方向为垂直于第一环状构造2022B所形成的一平面并且由该平面的下方往上；而该第二方向为垂直于第二环状构造2024B所形成的一平面并且由该平面的上方往下。平面式电感202B具有一电感值H202B。另一方面，平面式电感204B包含有位于该第二导体层的一第一环状构造2042B与位于该第一导体层的一第二环状构造2044B，并分别产生具有一第三方向的一第三磁场与具有一第四方向的一第四磁场，例如该第一方向为垂直于第一环状构造2042B所形成的一平面并且由该平面的下方往上；而该第二方向为垂直于第二环状构造2044B所形成的一平面并且由该平面的上方往下。平面式电感204B具有一电感值H204B。本发明使用平面式电感202B以及平面式电感204B彼此堆叠来组合成电子装置(变压器)206B，其中平面式电感202B的第一环状构造2022B与平面式电感204B的第一环状构造2042B重叠；平面式电感202B的第二环状构造2024B与平面式电感204B的第二环状构造2044B重叠，因此虽然平面式电感202B与平面式电感204B均使用两层导体层，但组合成的电子装置(变压器)206B总共仍只需两层导体层。其中耦合系数值K_206B的大小由平面式电感202B的第一环状构造2022B与第二环状构造2024B所形成的平面区域和平面式电感204B的第一环状构造2042B与第二环状构造2044B所形成的平面区域之间的重叠区域的大小来决定。

图2C为本发明电子装置的一第四实施例的示意图。其中一电子装置206C是由一平面式电感202C以及一平面式电感204C所构成的一变压器。电子装置206C和电子装置206A相似，差别仅在于由于重叠区域变大，电子装置206C的一耦合系数值K_206C的大小会大于电子装置206A的耦合系数值K_206A。此外电子装置206C较电子装置206A多使用了一层导体层用作绕线使用。

图2D为本发明电子装置的一第五实施例的示意图。其中一电子装置206D是由一平面式电感202D以及一平面式电感204D所构成的一变压器。电子装置206D和电子装置206B相似，差别仅在于由于重叠区域变大，电子装置206D的一耦合系数值K206D的大小会大于电子装置206B的耦合系数值K206B。此外电子装置206D较电子装置206B多使用了一层导体层用作绕线使用。

图3A为本发明电子装置的一第六实施例的示意图。其中一电子装置306A是由一不对称平面式电感302A以及一不对称平面式电感304A所构成的一变压器。电子装置306A和电子装置206A相似，差别仅在于电子装置306A中的平面式电感302A的一第一环状构造以及一第二环状构造的环形圈数不同，使得平面式电感302A的该第一环状构造以及该第二环状构造的磁场大小不相同；而平面式电感304A亦是如此。具体来说，电子装置306A中的平面式电感302A中具有较多环形圈数的该第一环状构造部分重叠于平面式电感304A中具有较多环形圈数的该第一环状构造；而电子装置306A中的平面式电感302A中具有较少环形圈数的该第二环状构造部分重叠于平面式电感304A中具有较少环形圈数的该第二环状构造。

图3B为本发明电子装置的一第七实施例的示意图。其中一电子装置306B是由一不对称平面式电感302B以及一镜像(mirrored)不对称平面式电感304B所构成的一变压器。电子装置306B和电子装置306A相似，差别仅在于电子装置306B中的平面式电感302B中具有较多环形圈数的一第一环状构造部分重叠于平面式电感304B中具有较少环形圈数的一第一环状构造；而电子装置306B中的平面式电感302B中具有较少环形圈数的一第二环状构造部分重叠于平面式电感304B中具有较多环形圈数的一第二环状构造。如此一来，由于不对称镜像结构所造成的反相抵消作用，再加上平面式电感302B和平面式电感304B之间的位移相较于平面式电感302A和平面式电感304A之间的位移来的更大，依据安培右手定则(thumbrule)，此时反相抵消作用加剧。因此，电子装置(变压器)306B的耦合系数值K_306B的大小较电子装置(变压器)306A来的更低。

图4为针对使用不对称平面式电感组成的电子装置分别在不同重叠区域大小的情况下的耦合系数值的频率响应图。其中一曲线C1代表由一不对称平面式电感(8字型平面电感架构且线圈数为2圈：1圈)以及另一不对称平面式电感(8字型平面电感架构且线圈数为2圈：1圈)彼此堆叠所构成的一电子装置(变压器)(类似图3A中的配置方式)的耦合系数值的频率响应，其中该不对称平面式电感以及该另一不对称平面式电感的重叠程度为最大(完全重叠或是几乎完全重叠)；一曲线C2代表由一不对称平面式电感(8字型平面电感架构且线圈数为2圈：1圈)以及另一镜像不对称平面式电感(8字型平面电感架构且线圈数为1圈：2圈)彼此堆叠所构成的一电子装置(变压器)(类似图3B中的配置方式)的耦合系数值的频率响应，其中该不对称平面式电感以及该另一不对称平面式电感的重叠程度为最大(完全重叠或是几乎完全重叠)。由曲线C1和C2可以得知，在低频(大约在13GHz以下)时，在完全重叠或是几乎完全重叠的程度下，利用一不对称平面式电感堆叠另一镜像不对称平面式电感可以实质降低耦合值，因此在目标耦合值较低的情况下，可以用较小的面积达到同样的低耦合值效果。另外，以曲线C1的配置，将重叠程度分别降低为75％以及50％，可以得到一曲线C3以及一曲线C5；以曲线C2的配置，将重叠程度分别降低为75％以及50％，可以得到一曲线C4以及一曲线C6。由图4中的曲线C3、C4和C5、C6可以得知，在低频时(约10GHz以下)，在重叠程度为75％和50％的情况下，利用一不对称平面式电感堆叠另一镜像不对称平面式电感可以实质且明显地降低耦合值，因此在目标耦合值较低的情况下，可以用较小的面积达到同时放置二个电感或一变压器的目的。因此，可以利用不同的重叠程度或面积来设计实现所需的耦合系数值。

图5为本发明电子装置的一第八实施例的示意图。一电子装置500是一8字型平面电感，包含有位于一第一导体层的一部分元件502以及位于一第二导体层的另一部分元件504。其中部分元件502和部分元件504具有两重叠部分，即一第一交叉点P1以及一第二交叉点P2。图6为8字型和非8字型平面电感的电感值的频率响应图。在图6中，一曲线D1是图5中的8字型平面电感对应不同频率的电感值；一曲线D2是非8字型架构的平面电感对应不同频率的电感值，其和图5中的8字型平面电感具有相同面积。由图6可知，图5中的电子装置500在一定频率范围内有效地提升单位面积的电感值(I)以达到降低芯片大小、节省硬件成本的目的。

应注意的是，本发明中的平面电感的环状构造的实际形状并不局限于实施例中的平面电感的环状构造的具体型态。亦即，平面电感的环状构造可以为方形、圆形或是多边形状。另外，对于平面电感的环状构造或其绕线在不同导体层中的配置，亦不以上述实施例为限。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种电子装置，包含有：

一第一平面式电感，至少包含相连接的一第一环状构造与一第二环状构造，分别用以产生具有一第一方向的一第一磁场与具有一第二方向的一第二磁场，其中该第一方向与该第二方向的方向不同；以及

一第二平面式电感，至少包含相连接的一第三环状构造与一第四环状构造，分别用以产生具有一第三方向的的一第三磁场与具有一第四方向的一第四磁场，其中该第三方向与该第四方向的方向不同；

其中该第一环状构造与该第三环状构造的至少一部分重叠并形成一第一重叠区域，与该第二环状构造与该第四环状构造的至少一部分重叠并形成一第二重叠区域；

其中该第一平面式电感与该第二平面式电感构成一变压器；

其中该变压器具有一耦合系数值，且该耦合系数值的大小由该第一与第二重叠区域的大小来决定；

其中，该第一平面式电感与该第二平面式电感为类八字型平面电感。

2.如权利要求1所述的电子装置，其中该第一平面式电感具有一第一电感值，该第二平面式电感具有一第二电感值，该第一平面式电感耦接至该第二平面式电感，以构成具有一第三电感值的一第三电感，该第三电感值大于该第一电感值与该第二电感值中任一者，且该第三电感值的大小根据该第一与第二重叠区域的大小来决定。

3.如权利要求1所述的电子装置，其中该第一方向与该第三方向的方向相同，该第二方向与该第四方向的方向相同。

4.如权利要求1所述的电子装置，其中该第一平面式电感位于一第一导体层，以及该第二平面式电感位于一第二导体层。

5.如权利要求1所述的电子装置，其中该第一环状构造以及该第二环状构造分别位于一第一导体层以及一第二导体层，该第三环状构造以及该第四环状构造分别位于该第二导体层以及该第一导体层。

6.如权利要求1所述的电子装置，其中该第一环状构造与该第四环状构造的至少一部分重叠并形成一第三重叠区域。

7.如权利要求6所述的电子装置，其中该第一磁场大于该第二磁场，该第三磁场小于该第四磁场。

8.如权利要求1所述的电子装置，其中该第一环状构造与该第三环状构造的开口方向相同，该第二环状构造与该第四环状构造的开口方向不同。

9.如权利要求1所述的电子装置，其中该第一平面式电感与该第二平面式电感位于不同晶粒，并使用三维堆叠构装共同形成一变压器。